Anyagtudomány:
hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek Kerámiák és faanyagok szerkezete és tulajdonságai
Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet
•Vázlat Kerámiák
Kerámiák története, csoportosítása, modern műszaki kerámiák fogalma
Szerkezet Tulajdonságok
Faanyagok Tulajdonságok
Atomos szerkezet, kristályos szerkezet, elméleti sűrűség, amorf kerámiák, hibahelyek
Modern műszaki kerámiák alaptulajdonságai, merevség, rideg törés, porozitás
Felépítés, szerkezet, összetétel, típusok Mechanikai tulajdonságok, ortotrópia, húzás, törés, modellek
2
•Bevezetés
Csoportosítás, technológia Kiindulási anyag
Alaptulajdonságok
Szerkezet
Feldolgozás, Technológia A szerkezet átalakul a technológiától függően Megváltozott tulajdonságok
Optimális tulajdonságok
Az anyagok alaptulajdonságainak jellegzetességei Kerámiák, faanyagok
Termék Beavatkozási lehetőség
Ellenőrzési lehetőség
Mérhető mennyiség
3
•Bevezetés
Kerámiák alaptulajdonságainak elhelyezkedése
•
Nagy merevség, kis ütésállóság; kopás és hőállóság
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007)
4
•Bevezetés
Kerámiák története jelentősége
•
• •
•
Keramikos – égetett agyagból készített tárgy
Magas hőmérsékletű hőkezelés „Hagyományos” kerámiák – agyag •
Cserép
•
Porcelán
•
Tűzálló magas hőmérsékletű anyag
•
Kerámia üvegek
Manapság •
Részletes „szerkezet – tulajdonság” kapcsolatok ismerete
•
Sokkal szélesebb körben használatos kifejezés 5
• A kerámiák csoportosítása Alkotó anyagok (atomok) jellege szerint Oxid kerámiák
Nem-oxid kerámiák
Hagyományos kerámiák
Korszerű műszaki kerámiák
Tégla, cserép
Funkcionális kerámiák
Tűzálló anyag
Szerkezeti kerámiák
Porcelán… 6
•Korszerű műszaki kerámiák Típusok összetétel alapján
•
Oxidkerámiák
• • • • • • •
Al2O3 BeO MgO SiO2 ThO Y 2O 3 ZrO2
•
Nem-oxid kerámiák • • • • •
Nitridek Karbidok Boridok Szilicidek Szulfidok
•
Fentiek kombinációi • • •
Oxinitridek Karbonitridek SIALON
7
•Korszerű műszaki kerámiák Típusok szerkezet alapján
•
Monolit kerámia
•
Kerámia rétegek és bevonatok
•
Társított kerámiák
8
•Kerámiák szerkezete Felépítő atomok és kötések
•
Több különböző atom építi fel (Fémes + nem fémes) • •
Bonyolult szerkezet A szerkezetet kialakító kötések a tisztán ionos kötéstől egészen a kovalens kötésig változnak Anyag
Ionos karakter (%)
CaF2
89
MgO
73
NaCl
67
Al2O3
63
SiO2
51
Si3N4
30
ZnS
18
SiC
12
9
•Kerámiák felépítése Koordinációs szám ionsugár
•
Koordinációs szám
Ionsugár arány rC/rA
•
2
<0,155
•
3
0,155-0,225
•
4
0,225-0,414
•
6
0,414-0,732
•
8
0,732-1,0
• •
A lehető legtömörebb szerkezet Általában rC< rA
Stabil
Stabil
Instabil 10
•Kerámiák felépítése
Gyakorlati példa – elméleti sűrűség
NaCl (rC = 0,102 nm; rA = 0,181 nm) • Ionsugár arány: rC/ rA = 0,564 → koordinációs szám: 6 • Szerkezet • Az elméleti sűrűség pedig 𝑛′ 𝐴𝐶 + 𝐴𝐴 𝜌𝑒𝑙𝑚 = = 2,14 g cm3 𝑉𝐶 𝑁𝐴 • n’ – az összegképletben szereplő atomok száma • AC – kation móltömeg (22,99 g/mol) • AA – anion móltömeg (35,45 g/mol) • VC – az elemi cella térfogata (a3) a = 2rNA+ 2rCl • NA – Avogadro szám • A valódi sűrűség: 2,16 g/cm3 •
11
•Kerámiák felépítése
Speciális típusok – amorf üvegek
•
•
Szennyezett SiO4 háló •
Na2O
•
CaO
•
TiO2
•
Al2O3
Hálószerkezet módosítók Intermediátumok
Amorf anyag •
Átlátszó üveg
•
Lágyulási hőmérséklet
•
Viszkozitás
•
Formázhatóság
12
•Kerámiák felépítése
Speciális típusok – rétegszilikátok, halloysite
•
•
Rétegszilikát •
Réteges szerkezet
•
Kis rétegvastagság
•
Nagy fajlagos felület
•
Kaolin
•
Montmorillonit…
Halloysite
Ma et al. J. Mater. Chem., 2012, 22, 11887
•
Cső
•
Speciális szerkezet
•
Funkcionális csoportok a cső belsejében
•
Speciális karrier tulajdonságok
13
•Kerámiák felépítése Speciális típusok
•
Grafit
•
Fullerén
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007)
14
•Kerámiák felépítése Hibahelyek
•
•
Kation, anion hiány vagy többlet •
Vakanciák
•
Intersticiális hibák
Shottky hiba •
•
Ionpár teljes hiánya
Frenkel hiba •
Kation vakancia és intersticiális hiba együtt
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007)
15
•Kerámiák felépítése Hibahelyek – idegen atomok
•
Idegen atomok •
•
Hibahelyként épülnek fel és megváltoztatják a tulajdonságokat
Következmények 𝑄𝑆 − 2𝑘𝑇
•
𝑁𝑆 = 𝑁𝑒𝑥𝑝
•
QS és QFr a hibák létrejöttének energiaszükséglete
•
N pedig az összes rácsban szereplő hely
•
Hibahelyek száma függ a hőmérséklettől
•
Sűrűség is hőmérsékletfüggő
, illetve
𝑁𝐹𝑟 = 𝑁𝑒𝑥𝑝
𝑄𝐹𝑟 − 2𝑘𝑇
Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007)
16
•Kerámiák tulajdonságai
Korszerű műszaki kerámia – alaptulajdonságok Olvadás pont (°C)
Sűrűség (g/cm3)
Kötés erősség (MPa)
Rug1almassági modulusz (GPa)
KIc* (MPa/m2)
Vickers keménység (GPa)
Hőtágulási együttható (10-6K-1)
Pórusos kordierit (2MgO·2Al2O3· 5SiO2)
1450
1,5-2,0
100-200
130
1,5-2,5
8
0,8-1,2
Szilícium-nitrid (RB-Si3N4)
17501900
2,6
200-350
150
2,5-3,5
5-7
3,0
Szilícium-nitrid (tömör Si3N4)
17501900
3,2
500-600
230
6
15
3,3
Alumínium-titanát (Al2O3·TiO2)
1860
3,2
40
20
2050
3,9
350-580
300-370
3-4,5
16-17
8,1
Szilícium-karbid (SiC)
23002500
3,2
450-520
420
4
20
4,3
Részlegesen stabilizált ZrO2 (PSZ)
25002600
6,1
900-1000
200
6-12
11
10,5
Típus
Korund(α-Al2O3)
2,0
17
•Kerámiák tulajdonságai Feszültség – megnyúlás
•
Nagy merevségű rideg anyagok
•
Ionos karakter •
•
•
•
Az ionok elmozdulása nehéz „Kevés” csúszósík, amely irányban a diszlokáció mozoghat
Kovalens kötés •
Kovalens kötés is erős
•
Kevés csúszósík
Ritkán alakul ki mérhető plasztikus deformáció 18
•Kerámiák tulajdonságai A „korszerű műszaki kerámiák”
A tulajdonságok kis mértékben de módosíthatók Feszültség
•
Deformáció
19
•Kerámiák tulajdonságai Rideg törés
•
A repedés képződésének geometriája
Pontszerű terhelés
Hajlítás
A törés alakjából és jellegéből a lokális feszültségek visszakövetkeztethetők: Fraktoszkópia Csavarás
Belső nyomás
20
•Kerámiák tulajdonságai Porozitás
•
•
𝑬 = 𝑬𝟎 𝟏 − 𝟏, 𝟗𝑷 + 𝟎, 𝟗𝑷𝟐 •
E0 – a nem porózus anyag modulusa
•
P – a porozitás térfogattörtje
Az egyenlet szerinti görbe R. L. Coble and W. D. Kingery „Effect of Porosity on Physical Properties of Sintered Alumina J. Am. Ceram. Soc. 39. 381 (1956)
21
•Faanyagok Kezdetek
• •
Az egyik legrégebben felhasznált szerkezeti anyag „Gyorsan” megújuló, de nem kimeríthetetlen
22
•Faanyagok Jelentőség
•
Óriási méret, „a földön a legnagyobb élő tömeg a fákban halmozódik fel”. David Attenborough
23
•Faanyagok
Felhasználás „napjainkban”
150
100 elsődleges fém
120
80
fa
3
Felhasználás (Mm )
•
USA anyagfelhasználása A fa térfogat szerint kimagasló
Felhasználás (Mt)
•
60
fa
40 használt fém 20
90
60 műanyag
30 elsődleges fém
műanyag 0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995
0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995
Év
Év 24
•Faanyagok Élő bolygó
• •
Megújuló nyersanyag A megfelelően hosszú életű fák segítségével a klímaváltozások is nyomon követhetők Fafaj
Maximális magasság
Fafaj
Maximális életkor
Óriáseukaliptusz
130
Japán ciprus
6000
Tengerparti mamutfenyő
120
Tengerparti mamutfenyő
3000
Luc-, jegenye-, vörösfenyő
55
Lucfenyő
1000
Tölgy, kőris, nyár, éger
40
Kőris
300 25
•Faanyagok Szerkezet
• •
•
Bonyolult felépítésű „kompozit” anyag A felhasználásra kitermelt fa testének alkotói •
Elhalt sejtfal
•
Üregek
•
Nagyon kevés élő szövet
Tulajdonságok •
•
Merevség: a sejtfal vastagodása során beépülő cellulóz rostok Keménység: a cellulóz rostok közé beépülő lignin és egyéb anyagok
26
•Faanyagok
Szerkezeti felépítés
• •
Az építőegység a cellulóz krisztallit A kristályos részek mellett amorf rész is található Sejtfalrost
Sejtfal
Lamella 27
•Faanyagok felépítése Sejtfal
•
•
•
A sejtfal rétegződése •
KL – középlemez
•
P – primer sejtfal
•
S1, S2, S3 – szekunder sejtfalak
A sejtfalon kívül és belül a fa anyagokat raktároz: lignin, festék, kova, CaCO3, Caoxalát, mézga és viasz A szerkezet nem állandó •
•
A fa élete során fokozatosan változik Évszakosan is változik (évszakos időjárás esetén) 28
•Faanyagok szerkezete Inhomogén szerkezet
•
Évgyűrű határ
•
Edények
•
Bélsugarak
29
•Faanyagok szerkezete Felépítő sejtek
•
Vízszállító sejt (Tracheida) – élettelen Edény (Trachea) – élettelen
•
Szövetrendszer (Faparenchia) – élő
•
• •
•
Színezőanyagok
•
Olajok
•
Alkaloidok
Farost (vastag falú üreges test) – élettelen Bélsugarak (sugárirányú hosszú üreges test) – élettelen 30
•A sejtszerkezet felépítése Fenyő
•
1. bütümetszet
•
2. sugármetszet
•
3. tangenciális (húr) metszet
•
4. évgyűrű
•
5. korai pászta
•
6. késői pászta
•
7. bélsugárköteg
•
8. orsós bélsugarak
•
9. függőleges gyantajárat
•
10. vízszintes gyantajárat
•
11. udvaros gödröcske
•
12. egyszerű gödröcske
•
13. rostok (tracheidák)
31
•Szerkezet Bütümetszet
•
Lombos fa
•
Farostok
•
Edény
•
Évgyűrű határ
32
•Makroszkópikus szerkezet Keresztmetszet
•
•
•
Évgyűrűk (a sejtek szerkezete évszakonként változik) Geszt (a növekedés során a belső évgyűrűk elhalnak) Raktározó és tartó szerep Szíjács (a külső aktív rész)
Tiszafa geszt és szíjács 33
•Szerkezeti változatosság Fajták
•
Az edények elhelyezkedése is befolyásolja a tulajdonságokat Gyűrűs elrendeződés Szórt elrendeződés (magas kőris) (rezgő nyár)
34
•Szerkezet-tulajdonság Sűrűség
•
Eltérő fajták – eltérő felépítés
•
Sűrűség •
•
•
Testsűrűség (egységnyi térfogatú fa tömege) – igen széles határok között változik Valódi sűrűség (a szövetek elemi sűrűsége) – fajtáktól függetlenül megközelítőleg azonos (~1560 kg/m3)
Víztartalom •
Rendszerint nem állandó
•
Nagy hatás a tulajdonságokra
35
•Szerkezet-tulajdonság Víztartalom
•
•
•
Kötött víz – a sejtfalakban kötött víz •
Lassan távozik (akár évek alatt)
•
Szárítás szükséges
•
Tulajdonságok folyamatosan változnak
Szabad víz – a sejtüregekben található víz •
45-55 %
•
Gyorsan távozik a szárítás során
•
Nagy hatás
Egyensúlyi víztartalom •
Abszolút száraz 0 %, szobaszáraz ~8 %, légszáraz ~15 %, félszáraz ~25 %, félnedves ~80 %, abszolút nedves ~140 %
36
•Mechanikai tulajdonságok Ortotrópia
•
•
Összetett kompozit bonyolult szerkezettel, amely tulajdonságait a szerkezeti jellegzetességek határozzák meg elsősorban
Ortotróp anyag: a három térirányban eltérnek a tulajdonságok
37
•Mechanikai tulajdonságok Meghatározás
•
• •
A vizsgálati elrendezés meghatározó
•
Szálirányú összenyomás
•
Szálirányra merőleges összenyomás
•
Szálirányú nyírás
•
Statikus hajlítás
•
Szálirányú húzás
•
Szálirányra merőleges húzás
Piros: szálirányra merőleges igénybevétel Kék: szálirányú igénybevétel 38
•Feszültség-megnyúlás Húzás és összenyomás
•
Húzás •
Nagyobb határfeszültség
•
Rideg
•
Minimális képléken tartomány
Összenyomás • •
Alacsonyabb határfeszültség Nagyobb képlékeny deformáció
Húzás
Feszültség
•
Összenyomás
Alakváltozás
39
•Merevség
Fajtafüggő értékek
•
•
•
Keményfa •
7-16 GPa
•
Középérték: 11 GPa
•
Sűrűség: 0,33-0,88 kg/m3
Puhafa •
6-14 GPa
•
Középérték: 10 GPa
•
Sűrűség: 0,3-0,6 kg/m3
A sűrűség összefügg a merevséggel, de az összefüggés nem egyértelmű – szerkezet hatása 40
•Mechanikai tulajdonságok Tönkremenetel
A keményfák teherviselő képessége lényegesen jobb, mert a tönkremeneteli folyamatok később indulnak be
Feszültség (MPa), hosszirány
250
200
20
Szakítószilárdság AE1 AE2
Feszültség (MPa), keresztirány
•
150
100
50
0
fenyő
kőris
tölgy
Szakítószilárdság AE1 AE2
15
10
5
0
fenyő
kőris
tölgy 41
•Mechanika – szerkezet Rostok orientációja
•
A mechanikai merevséget a mikrofibrillák rendeződése határozza meg 5000
Feszültség (MPa)
4000
3000
2000
1000
0 0
10
20
30
40
50
Mikrofibrillák szöge (°) 42
•Mechanikai tulajdonságok További tényezők
•
Hibahelyek • •
•
Csomók – a növekedés közben létrejövő inhomogenitások Makro- és mikrorepedések (száradás során kialakuló repedések)
A makrorepedések eltávolíthatók, de a mikrorepedések és a csomók nem. Ezért a beépített szerkezeti elemként használt fákban a mechanikai vizsgálatokat a beépített elemből kell végezni
43
•Merevség
Egyéb befolyásoló tényezők
16 Húzott oldal Semleges oldal
Relatív határszilárdság (%)
Rugalmassági modulus (GPa)
100
14
12
10
80
60
40
20
0
8 0
10
20
30
40
50
Nedvességtartalom (%)
60
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Csomóméret (mm) 44
•Mechanika – tönkremenetel Akusztikus emisszió
•
A nagyszámú jel több folyamatra utal Meddig alkalmazható az anyag???
200
200
80000
100 kőris
100
60000
40000
Iniciálási feszültség
50
20000
0
0 0
1
2
3
Nyúlás (%)
4
5
Feszültség (MPa)
150
Összeseményszám
Feszültség (MPa)
kőris 150
80
100
60
50
40
0
Amplitúdó (dB)
•
20 0
1
2
3
4
5
Nyúlás (%) 45
•Mechanika – tönkremenetel Lehetséges mechanizmusok
•
Az eltérő mikroszkópos szerkezet eltérő mechanizmusra utal
46
•Mechanika - törés
Heterogén anyag törése mindig bonyolult
• • •
•
Irányfüggő folyamat Matematikailag nehéz kezelni Bonyolult szerkezeti hatások
L: növekedési tengely R: sugárirány
T: érintőirány
Lineáris és nemlineáris törésmechanika
Első betű a repedés síkjára merőleges, míg a második betű a repedés terjedésének iránya
47
•Törés
Különböző fajták
•
Lineáris törésmechanika Fa típus
KIC /TL/ (kNm-3/2)
Douglas fenyő
320, 309, 260, 847
Western hemlock fenyő
375
Western fehér fenyő
250
Skót fenyő
440
Déli fenyő
375
Ponderosa fenyő
290
Vörös lucfenyő
420
Északi vörös tölgy
410
Juharfa
480
Sárga nyírfa
517 48
•Törés – mechanizmus Repedés kialakulás és terjedés
•
Két alapfolyamat •
Repedés iniciálás
•
Repedés terjedés •
Vegyes mechanizmus
•
Irányfüggő
•
Nehezen leírható
49
•Nemlineáris törés
Szálirányra merőleges igénybevétel „Szálerősített kompozit”
Csúcs előtti nem lineáris tartomány
Alakváltozás "lágyulás"
Feszültség,
•
Deformáció,
50
•A törés alapfolyamatai Repedés kialakulás és terjedés Repedés iniciálás, Gi Repedés terjedés, Gt
Erő, F
•
G = Gi + Gt
Deformáció, 51
•A törés modellezése Matematikai eszközök
•
Statisztikai megoldás •
Elemi térfogat (N db azonos elem)
p0 x dV
p f 1 eV • • •
p f 1 e
V 0 V0
Kohéziós repedési modell „Áthidalási modell” Végeselemes modell
52
•Modellezés és valóság Egyes esetekben jól működik
53
•Számított és mért tulajdonságok Törés
54
•Időfüggő tulajdonságok Kúszás
•
Fenomenológiai modellek (Voight-Kelvin modell) B
FD dD C D A dt FS FD a Kelvin-testben a rugó által hordott teher aránya a teljes teherhez, FS a monoton teher alatti (rövid-idejű terheléshez tartozó) szilárdság, A, B és C kísérleti állandók.
55
•Időfüggő folyamatok Fáradás
•
Ciklikus igénybevétel
Az alkalmazható ciklusszám csökken a nedvesség növelésével
Maximális ismételt feszültség szint
•
120 100
Fáradási szilárdság n ciklusnál
80 60 40 Fáradási határ
20 0
Ciklusok száma, logN
56
